EP3108559B1 - Überspannungsschutzvorrichtung mit leckstromabschaltung - Google Patents

Überspannungsschutzvorrichtung mit leckstromabschaltung Download PDF

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EP3108559B1
EP3108559B1 EP15700595.0A EP15700595A EP3108559B1 EP 3108559 B1 EP3108559 B1 EP 3108559B1 EP 15700595 A EP15700595 A EP 15700595A EP 3108559 B1 EP3108559 B1 EP 3108559B1
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
    • H01H37/761—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material with a fusible element forming part of the switched circuit
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    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection device with leakage current cutoff.
  • Overvoltage protection devices of various types have undesirable leakage currents as a result of aging and / or operation outside the specified operating voltages.
  • a known measure is e.g. a thermally softenable compound, e.g. a solder joint, provide that solves a connection to the overvoltage protection device on reaching the softening temperature.
  • DE 41 24 321 A1 is the DE 41 24 321 A1 .
  • DC power grids also referred to as DC grids
  • AC grids as e.g. can be found in solar systems
  • AC grids very powerful AC networks
  • a fuse which is placed in series with a surge arrester must be able to carry the operational (momentum) current flowing through the surge arrester.
  • the invention is based on the object to provide an overvoltage protection device with leakage cut-off, which provide a reliable shutdown even at high currents as well as DC networks.
  • This object is achieved by an overvoltage protection device according to claim 1.
  • This leakage override overvoltage protection device comprises a parallel connection of a first current branch and a second current branch, the first current branch having a switching element and a first non-linear resistance element, and wherein the second current branch has a fuse element with signaling characteristic and a second non-linear resistance element as well as a complex resistance is triggered depending on a change in state of the fuse element with message property, the switching element for switching, solved.
  • FIG. 1 an exemplary schematic representation of embodiments of the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary schematic representation of embodiments of the overvoltage protection device with leakage cut-off. This has a parallel connection of a first current branch I 1 and a second current branch I 2 .
  • the first current branch I 1 has a switching element S and a first non-linear resistance element R var, 1 .
  • the second current branch I 2 has a fuse element with message property F and a second non-linear resistance element R var, 2 and a complex resistor Z on.
  • the switching element S and the fuse element with message property F are brought together in such a way that, depending on a change in state of the fuse element with message property F, the switching element S is caused to switch.
  • a resistance element R var, 1 with non-linear current / voltage characteristic which is dimensioned with respect to its Ableithacks so that it can carry the required Ableitbox the arrangement substantially.
  • a switching element S is arranged, which corresponds to the discharge capacity of the R var, 1 with respect to its surge current carrying capacity substantially.
  • the (DC) Abschaltterrorism the switching element S needs to be low, which cost-effective and simple switching elements can be used.
  • R var, 1 and R var, 2 are essentially the same, wherein in a different embodiment at least R var, 2 has a slightly lower characteristic voltage (eg varistor voltage). Voltage) at the same impressed current.
  • the lower leakage current carrying capacity of the R var, 2 relative to the R var, 1 is expressed in terms of the current / voltage characteristic of the R var, 2 by a greater transconductance compared to the current / voltage characteristic of the R var, 1 from.
  • a fuse element with message property F for example, a fuse with indicator, which can be designed in terms of its surge current carrying capacity on the flowing in the Ableitfall via the second branch I 2 partial stream I 2 , which is significantly lower than the surge current component of the first branch I 1 .
  • the steeper characteristic of the R var, 2 compared to R var, 1 in conjunction with Z causes the main portion of the leakage current flows through the first current branch I 1 in the derivative, while a much smaller proportion flows through the second branch I 2 , which does not cause the security element with message property F to respond.
  • the current flow through the second current branch I 2 brings the fuse element with message property F to respond.
  • the fuse element with message property F interrupts the current flow in the second current branch I 2 by its quenching capacity.
  • the Identifier of the fuse element with message property F triggers the actuation of the switching element S, which then also interrupts the current flow in the first current branch I 1 .
  • the actuation may be e.g. be achieved directly by a mechanical effect or indirectly lead to an operation.
  • it can be provided that an energy accumulator for the actuation of the switching element S is released.
  • the first non-linear resistive element R var, 1 and the second non-linear resistive element R var, 2 each have a non-linear current / voltage characteristic, wherein the slope of the characteristic of the second non-linear resistive element R var, 2 is greater than the transconductance the characteristic of the first non-linear resistive element R var, 1 .
  • the switching behavior of the two current branches can be set very precisely and, moreover, an optimization with regard to the production costs can be made.
  • the first non-linear resistance element R var, 1 and / or the second non-linear resistance element R var, 2 a varistor on.
  • the good voltage limiting properties of the varistors can be used.
  • standard components can be used inexpensively.
  • the fuse element with message property F is a fuse protection.
  • the surge current carrying capacity of the first current branch I 1 is greater than the surge current carrying capacity of the second current branch I 2 . This also allows the cost of a device according to the invention can be optimized without sacrificing the switching capacity.
  • the complex resistor Z is provided by one or more concrete components.
  • Exemplary concrete components are resistors, coils as well as capacitors.
  • the second current branch is protected in a filter-like manner from a rather high-frequency pulse current event as a result of an overvoltage event that can be reliably dissipated via the first current branch.
  • a particularly simple installation option of prefabricated overvoltage protection devices with leakage current cutoff can be provided.

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung. Überspannungsschutzeinrichtungen verschiedenster Art weisen in Folge von Alterung und/oder Betrieb außerhalb der spezifizierten Betriebsspannungen unerwünschte Leckströme auf.
  • Diese Leckströme führen zum einen zu höheren Energiekosten zum anderen führen diese Leckströme auch zu einer Erwärmung der betreffenden Überspannungsschutzeinrichtung. Diese Erwärmung kann dabei so umfangreich sein, dass es zu weiterer Beschädigung oder Zerstörung der Überspannungsschutzeinrichtung selbst als auch umgebender Bauteile führen kann und sogar Brände auslösen kann.
  • Um diesen negativen Effekten zu begegnen, wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Anordnungen vorgeschlagen mit denen eine derartig fehlfunktionierende Überspannungsschutzeinrichtung vom versorgenden Netz abgetrennt werden soll, um so eine unzulässige Erwärmung oder Zerstörung der Überspannungsschutzeinrichtung zu verhindern.
  • Eine bekannte Maßnahme ist z.B. eine thermisch erweichbare Verbindung, z.B. eine Lötstelle, vorzusehen, die bei Erreichen der Erweichungstemperatur eine Verbindung zur Überspannungsschutzeinrichtung löst.
  • Andere Maßnahmen sehen die Verwendung von Parallelschaltungen vor, wobei der Leckstrom über einen zumindest mit einer parasitären Induktivität behafteten Pfad geführt wird, während ein Überspannungsereignis über eine hierzu parallelen gasgefüllten Überspannungsableiter geführt wird.
  • Beispielhaft für diese Maßnahmen sei auf die DE 41 24 321 A1 , DE 102 11 795 A1 , EP 1 926 799 A1 und die DE 101 16 172 A1 verwiesen, wobei die DE 41 24 321 A1 den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs formt.
  • Obwohl diese Maßnahmen erfolgreich eingesetzt werden können, kann mit diesen nicht das Spektrum von Überspannungsschutzeinrichtungen und Ihrer Verwendung vollständig abgedeckt werden.
  • Insbesondere für Gleichspannungsnetze, auch als DC-Netze bezeichnet, wie sie z.B. bei Solaranlagen vorzufinden sind, oder aber bei sehr leistungsstarken Wechselspannungsnetzen, auch als AC-Netze bezeichnet, , stellt die Fähigkeit der Abtrennung eine große Hürde dar.
  • Während für geringe DC-Ströme (d.h. Nennströme der Sicherung) noch geeignete Trennelemente (z.B. Schmelzsicherungen) existieren, welche in der Lage sind, den Stromfluss, auch bei einem hohen prospektiven Kurzschlussstrom des Stromzweiges, zu unterbrechen, steigt der Aufwand, welcher zum Erreichen eines solchen Löschvermögens getrieben werden muss, bei höheren Strömen (Nennströmen der Sicherung) stark an. Dieser Aufwand ist neben den technischen Herausforderungen auch ein Kostentreiber, sodass die entsprechenden Schaltvorrichtungen insgesamt sehr teuer sind.
  • Gleichzeitig muss eine Sicherung, welche in Serie zu einem Überspannungsableiter angeordnet wird, in der Lage sein den betriebsmäßig über den Überspannungsableiter fließenden (Impuls-) Strom zu tragen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung bereitzustellen, die auch bei hohen Strömen als auch bei DC-Netzen eine zuverlässige Abschaltung bereitstellen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Überspannungsschutzvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweiges und eines zweiten Stromzweiges auf, wobei der erste Stromzweig ein Schaltelement und ein erstes nichtlineares Widerstandselement aufweist, und wobei der zweite Stromzweig ein Sicherungselement mit Meldeeigenschaft und ein zweites nichtlineares Widerstandselement sowie einen komplexen Widerstand aufweist, wobei abhängig von einer Zustandsänderung des Sicherungselements mit Meldeeigenschaft das Schaltelement zum Schalten veranlasst wird, gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind auch Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
  • Es zeigt
    Figur 1 eine beispielhafte schematische Darstellung von Ausführungsformen der Erfindung.
  • Figur 1 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung von Ausführungsformen der Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung. Diese weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweiges I1 und eines zweiten Stromzweiges I2 auf.
  • Der erste Stromzweig I1 weist ein Schaltelement S und ein erstes nichtlineares Widerstandselement Rvar,1 auf. Der zweite Stromzweig I2 weist ein Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F und ein zweites nichtlineares Widerstandselement Rvar,2 sowie einen komplexen Widerstand Z auf.
  • Dabei sind das Schaltelement S und das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F so miteinander in Zusammenwirkung gebracht, dass abhängig von einer Zustandsänderung des Sicherungselements mit Meldeeigenschaft F das Schaltelement S zum Schalten veranlasst wird.
  • Hierdurch kann, wie nachfolgend erläutert, ein sicheres Abschalten gewährleistet werden.
  • Im ersten Stromzweig I1 des Überspannungsschutzvorrichtung befindet sich ein Widerstandselement Rvar,1 mit nicht-linearer Strom/Spannungs-Kennlinie, welches bezüglich seines Ableitvermögens so bemessen ist, dass es das erforderliche Ableitvermögen der Anordnung im Wesentlichen tragen kann. In Serie hierzu ist ein Schaltelement S angeordnet, welches bezüglich seiner Stoßstromtragfähigkeit dem Ableitvermögen des Rvar,1 im Wesentlichen entspricht. Das (DC-) Abschaltvermögen des Schaltelements S braucht jedoch nur gering ausgeprägt zu sein, wodurch kostengünstige und einfache Schaltelemente verwendet werden können.
  • Im zweiten Stromzweig I2, befindet sich ebenfalls ein Widerstandselement Rvar,2 mit nicht-linearer Strom/Spannungs-Kennlinie, welches bezüglich seines Ableitvermögens so bemessen sein kann, dass es lediglich einen gegenüber dem Ableitstrom des ersten Stromzweiges I1 deutlich geringeren Teilstrom I2 zu tragen vermag.
  • Hinsichtlich ihrer Spannungsbemessung (z.B. Uv, Spannungsabfall bei einem eingeprägten Strom von 1 mA) sind Rvar,1 und Rvar,2 im Wesentlichen gleich bemessen, wobei bei einer unterschiedlichen Ausgestaltung zumindest Rvar,2 eine geringfügig geringere charakteristische Spannung (z.B. Varistor-Spannung) bei gleichem eingeprägtem Strom aufweisen kann.
  • Das geringere Ableitstromtragvermögen des Rvar,2 gegenüber dem Rvar,1 drückt sich hinsichtlich der Strom/Spannungs-Kennlinie des Rvar,2 durch eine größere Steilheit im Vergleich zur Strom/Spannungs-Kennlinie des Rvar,1 aus.
  • In Serie mit Rvar,2 befindet sich in dem zweiten Stromzweig I2 ein Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F, beispielsweise eine Schmelzsicherung mit Kennmelder, welches hinsichtlich seiner Stoßstromtragfähigkeit auf den im Ableitfall über den zweiten Stromzweig I2 fließenden Teilstrom I2 ausgelegt sein kann, welcher deutlich geringer ist, als der Stoßstromanteil des ersten Stromzweiges I1.
  • Als weiteres Element befindet sich im zweiten Stromzweig I2 der komplexe Widerstand Z, welcher entweder aus parasitären oder konkreten Elementen gebildet wird.
  • Die steilere Kennlinie des Rvar,2 im Vergleich zum Rvar,1 in Verbindung mit Z führt dazu, dass im Ableitfall der Hauptanteil des Ableitstromes durch den ersten Stromzweig I1 fließt, während ein deutlich geringerer Anteil über den zweiten Stromzweig I2 fließt, welcher das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F nicht zum Ansprechen bringt.
  • Wird an die Gesamtanordnung über die Anschlüsse A1, A2 eine Spannung angelegt, welche zu einem (Leck-)Stromfluss über den ersten Stromzweig I1 und den zweiten Stromzweig I2 führt, so wird über den zweiten Stromzweig I2 ein im Vergleich zum Ableitfall, größerer Stromanteil fließen, da die Kennlinie des Rvar,2 im unteren (Leck-) Strombereich relativ flach verläuft. Dieser Stromfluss bringt Rvar,2 zum Durchlegieren, was dessen Impedanz zusammenbrechen lässt und den Stromfluss im zweiten Stromzweig I2 deutlich weiter ansteigen lässt.
  • Der Stromfluss durch den zweiten Stromzweig I2 bringt das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F zum Ansprechen. Das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F unterbricht durch ihr Löschvermögen den Stromfluss im zweiten Stromzweig I2. Der Kennmelder des Sicherungselements mit Meldeeigenschaft F löst die Betätigung des Schaltelements S aus, was den Stromfluss sodann auch im ersten Stromzweig I1 unterbricht.
  • Dabei kann die Betätigung z.B. direkt durch eine mechanische Wirkung erzielt werden oder aber indirekt zu einer Betätigung führen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Kraftspeicher zur Betätigung des Schaltelements S freigegeben wird.
  • In einer beispielhaften Anordnung, die lediglich der Illustration der Erfindung dient, ist z.B. das erste nichtlineare Widerstandselement Rvar,1 ein Varistor, z.B. der Baugröße 80 mm, mit folgenden Leistungsdaten Vrms=320 V, VDC=420 V, imax, 8,20 µs=100000 A, Wmax, 2ms=1600 J, Pmax=2 W, Vv,1 mA=510 V, während das zweite nichtlineare Widerstandselement Rvar,2 ein Varistor, z.B. der Baugröße 14 mm, mit folgenden Leistungsdaten Vrms=320 V, VDC=420 V, imax, 8,20 µs=4500 A, Wmax, 2ms=84 J, Pmax=0.6 W, Vv,1 mA=510 V ist.
  • Wird nun eine (Prüf-)Spannung von 600 V an diese Parallelschaltung zur Simulation eines Leckstromes angelegt, so würde das zweite nichtlineare Widerstandselement Rvar,2 nach circa 1,2 s eine Energie von in etwa 84 J bereits absorbiert haben, sodass mit einem baldigen Durchlegieren des zweite nichtlineare Widerstandselement Rvar,2 zu rechnen ist, während das erste nichtlineare Widerstandselement Rvar,1 nach circa 1,2 s eine Energie von in etwa 968 J bereits absorbiert hätte und somit noch stabil wäre.
  • Mittels der vorbezeichneten allgemeinen Lösung ist es somit möglich einfache und kostengünstige Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung bereitzustellen, die auch bei hohen Strömen als auch bei DC-Netzen eine zuverlässige Abschaltung bereitstellen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste nichtlineare Widerstandselement Rvar,1 und das zweite nichtlineare Widerstandselement Rvar,2 jeweils eine nichtlineare Strom/Spannungskennlinie auf, wobei die Steilheit der Kennlinie des zweiten nichtlinearen Widerstandselements Rvar,2 größer ist als die Steilheit der Kennlinie des ersten nichtlinearen Widerstandselements Rvar,1.
  • Hierdurch kann das Schaltverhalten der beiden Stromzweige sehr präzise eingestellt werden und zudem eine Optimierung in Bezug auf die Herstellungskosten vorgenommen werden.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung weist das erste nichtlineare Widerstandselement Rvar,1 und/oder das das zweite nichtlineare Widerstandselement Rvar,2 einen Varistor auf.
  • Hierdurch können die guten Spannungsbegrenzungseigenschaften der Varistoren genutzt werden. Zudem können Standardbauelemente kostengünstig verwendet werden.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung ist das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F eine Kennmeldersicherung.
  • Hierdurch können die guten Trenneigenschaften von Kennmeldersicherung genutzt werden. Zudem können Standardbauelemente kostengünstig verwendet werden.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung ist das Stoßstromtragevermögen des ersten Stromzweiges I1 größer als das Stoßstromtragevermögen des zweiten Stromzweiges I2. Auch hierdurch können die Kosten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung optimiert werden, ohne Abstriche am Schaltvermögen vorzunehmen.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung wird der komplexe Widerstand Z durch ein oder mehrere konkrete Bauelemente zur Verfügung gestellt. Beispielhafte konkrete Bauelemente sind Widerstände, Spulen als auch Kondensatoren.
  • Hierdurch wird der zweite Stromzweig filterartig vor einem eher hochfrequenten Impulsstromereignis resultierend aus einem Überspannungsereignis geschützt, dass zuverlässig über den ersten Stromzweig abgeleitet werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung in einem Gehäuse G - dargestellt in Figur 1 durch einen strich-punktierten Rahmen - mit entsprechenden Anschlüssen A1 und A2 angeordnet. Hierdurch kann eine besonders einfache Installationsmöglichkeit von vorgefertigten Überspannungsschutzvorrichtungen mit Leckstromabschaltung bereitgestellt werden. Bezugszeichenliste
    Erster Stromzweig I1
    Zweiter Stromzweig I2
    Schaltelement S
    Nichtlineares Widerstandselement Rvar,1; Rvar,2
    Komplexer Widerstand Z
    Gehäuse G
    Sicherungselement mir Meldeeigenschaft F
    Anschlüsse A1, A2

Claims (3)

  1. Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung, aufweisend eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweiges (I1) und eines zweiten Stromzweiges (I2), wobei der erste Stromzweig (I1) ein Schaltelement (S) und ein erstes nichtlineares Widerstandselement (Rvar,1) aufweist, wobei der zweite Stromzweig (I2) ein Sicherungselement mit Meldeeigenschaft (F) und ein zweites nichtlineares Widerstandselement (Rvar,2) sowie einen komplexen Widerstand (Z) aufweist, wobei abhängig von einer Zustandsänderung des Sicherungselements mit Meldeeigenschaft (F) das Schaltelement (S) zum Schalten veranlasst wird, wobei das erste nichtlineare Widerstandselement (Rvar,1) und/oder das zweite nichtlineare Widerstandselement (Rvar,2) einen Varistor aufweist, und wobei das erste nichtlineare Widerstandselement (Rvar,1) und das zweite nichtlineare Widerstandselement (Rvar,2) jeweils eine nichtlineare Strom/Spannungskennlinie aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Steilheit der Kennlinie des zweiten nichtlinearen Widerstandselements (Rvar,2) größer ist als die Steilheit der Kennlinie des ersten nichtlinearen Widerstandselements (Rvar,1) ist, und wobei das Stoßstromtragevermögen des ersten Stromzweiges (I1) größer ist als das Stoßstromtragevermögen des zweiten Stromzweiges (I2).
  2. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft (F) eine Kennmeldersicherung ist.
  3. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der komplexe Widerstand (Z) durch ein oder mehrere konkrete Bauelemente zur Verfügung gestellt wird.
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